《流体力学》流动阻力与水头损失课件

第5章流动阻力与水头损失1ppt课件第5章流动阻力与水头损失★本章重点掌握黏性流体的流动型态（层流、紊流）及其判别沿程水头损失计算局部水头损失计算2ppt课件§5.1概述一、章目解析从力学观点看，本章研究的是流动阻力。产生流动阻力的原因：内因——粘性+惯性外因——外界干扰从能量观看，本章研究的是能量损失（水头损失）。3ppt课件§5.1概述二、研究内容内流（如管流、明渠流等）：研究的计算（本章重点）；外流（如绕流等）：研究CD的计算。三、水头损失的两种形式hf

：沿程水头损失(由摩擦引起)；hm

：局部水头损失（由局部干扰引起）。总水头损失：4ppt课件§5.2黏性流体的流动型态一、雷诺实验简介

1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对粘性流体进行实验，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流。OsborneReynolds(1842-1916)5ppt课件§5.2黏性流体的流动型态6ppt课件§5.2黏性流体的流动型态

雷诺在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线如下：层流：紊流：AEBCD层流过渡区紊流7ppt课件§5.2黏性流体的流动型态二、判别标准1.试验发现8ppt课件§5.2黏性流体的流动型态2.判别标准圆管：取非圆管：定义水力半径为特征长度.相对于圆管有9ppt课件§5.2黏性流体的流动型态故取例题110ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程11ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程一、恒定均匀流基本方程推导对如图所示定常均匀有压管流，由1→2建立伯努利方程，得：流体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供。（1）12ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程2.在s方向列动量方程，得：式中：（2）13ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程3.联立（1）、（2），可得定常均匀流基本方程

上式对层流、紊流均适用。（3）14ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程二、过流断面上切应力τ的分布仿上述推导，可得任意r处的切应力：考虑到，有故（线性分布）15ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程三、沿程水头损失hf的通用公式由均匀流基本方程计算，需先求出。因据π定理：故16ppt课件§5.3恒定均匀流基本方程令，并考虑到，式中，为沿程阻力系数，一般由实验确定。代入可得沿程水头损失的通用公式——达西公式：17ppt课件§5.4圆管中的层流运动一、过流断面上的流速分布据18ppt课件§5.4圆管中的层流运动积分得：——旋转抛物面分布19ppt课件§5.4圆管中的层流运动最大流速：流量：20ppt课件§5.4圆管中的层流运动二、断面平均流速21ppt课件§5.4圆管中的层流运动三、沿程水头损失由和得：22ppt课件§5.4圆管中的层流运动与hf的通用公式比较，可得圆管层流时沿程阻力系数：四、动能、动量修正系数23ppt课件§5.5圆管中的紊流运动一、紊流的特征主要特征：流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动要素在时间和空间都是具有随机性质的运动。

☈严格来讲，紊流总是非恒定的。

☈时间平均紊流：恒定紊流与非恒定紊流的含义。

☈紊流的脉动性使过流断面上的流速分布比层流的更均匀，但能量损失比层流更大。24ppt课件§5.5圆管中的紊流运动二、紊流切应力紊流切应力τ包括τ1和紊流附加切应力τ2两部分，即其中：这里称为混合长度，可用经验公式或计算。25ppt课件§5.5圆管中的紊流运动三、粘性底层☈水力光滑、水力粗糙的含义。☈粘性底层一般只有十分之几个毫米，但对流动阻力的影响较大。26ppt课件§5.5圆管中的紊流运动四、过流断面上的流速分布粘性底层区

式中：——剪切流速

紊流核心区27ppt课件§5.5圆管中的紊流运动五、沿程阻力系数λ的变化规律及影响因素1.尼古拉兹实验简介JohannNikuradse28ppt课件§5.5圆管中的紊流运动29ppt课件§5.5圆管中的紊流运动层流区（I）：2.实验成果层、紊流过渡（Ⅱ）：紊流过渡区（Ⅳ）：紊流粗糙区（Ⅴ）：紊流光滑区（Ⅲ）：30ppt课件§5.5圆管中的紊流运动六、λ的计算公式层、紊流过渡区（Ⅱ）：空白层流区（I）：紊流光滑区（Ⅲ）：紊流过渡区（Ⅳ）：31ppt课件§5.5圆管中的紊流运动紊流粗糙区（Ⅴ）：适合紊流区的公式：

32ppt课件§5.5圆管中的紊流运动★为便于应用，莫迪将其制成莫迪图。LewisMoody33ppt课件§5.6

局部水头损失一、局部水头损失产生的原因旋涡区的存在是造成局部水头损失的主要原因。

局部水头损失与沿程水头损失一样，也与流态有关，但目前仅限于紊流研究，且基本为实验研究。34ppt课件§5.6

局部水头损失二、圆管突然扩大的液流局部水头损失1.从1→2建立伯努利方程，可得（1）35ppt课件§5.6

局部水头损失2.在s方向列动量方程式中：引入实验结果（2）36ppt课件§5.6

局部水头损失3.联立（1）、（2），并取，得（包达公式）37ppt课件§5.6

局部水头损失三、局部水头损失通用公式式中：ξ=f(Re,边界情况)，称为局部阻力系数，一般由实验确定。例题238ppt课件例题1[例1]水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的Re2/Re1=?[解]因故39ppt课件例题2[例2]如图所示管流，已知：d、l、H、λ、ξ进、ξ阀门。

求：管道通过能力Q。[解]从1→2建立伯努利方程40ppt课件例题2得流速据连续性方程得流量41ppt课件普朗特简介普朗特（1875～1953），德国物理学家，近代力学奠基人之一。1875年2月4日生于弗赖辛，1953年8月15日卒于格丁根。他在大学时学机械工程，后在慕尼黑工业大学攻弹性力学，1900年获得博士学位。1901年在机械厂工作，发现了气流分离问题。后在汉诺威大学任教授时，用自制水槽观察绕曲面的流动，3年后提出边界层理论，建立绕物体流动的小粘性边界层方程，以解决计算摩擦阻力、求解分离区和热交换等问题。奠定了现代流体力学的基础。普朗特在流体力学方面的其他贡献有：①风洞实验技术。他认为研究空气动力学必须作模型实验。1906年建造了德国第一个风洞（见空气动力学实验），1917年又建成格丁根式风洞。②机翼理论。在实验基础上，他于1913～1918年提出了举力线理论和最小诱导阻力理论

，后又提出举力面理论等。③湍流理论。提出层流稳定性和湍流混合长度理论。此外还有亚声速相似律和可压缩绕角膨胀流动，后被称为普朗特-迈耶尔流动。他在气象学方面也有创造性论著。

普朗特在固体力学方面也有不少贡献。他的博士论文探讨了狭长矩形截面梁的侧向稳定性。1903年提出了柱体扭转